論直埋蒸汽管道的設(shè)計(jì)
目前在我國(guó)，直埋蒸汽管道技術(shù)已越來(lái)越多地得到應(yīng)用，盡管如此，該項(xiàng)技術(shù)仍 不成熟，在國(guó)內(nèi)還處于起步階段，國(guó)家還沒(méi)有制定專門的、統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范。筆者近幾年就 直埋蒸汽管道的生產(chǎn)及應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外作了多次調(diào)研，并先后作了天津市利順德飯店及小白樓 蒸汽管道直埋工程的設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)研及工程實(shí)踐，對(duì)直埋蒸汽管道技術(shù)有了逐步深入的認(rèn)識(shí) 。
國(guó)內(nèi)一些蒸汽管道直埋的技術(shù)論文在介紹蒸汽直埋保溫管道的結(jié)構(gòu)時(shí)，將其結(jié)構(gòu)類型劃分為 兩大 類：一類是滑動(dòng)界面在工作鋼管與保溫材料之間的復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)；另一類是滑動(dòng)界面在管道 滑動(dòng)支座與鋼外套管內(nèi)壁之間的“鋼管溝”結(jié)構(gòu)。筆者所做的上述兩項(xiàng)工程均采用的是復(fù)合 保溫結(jié)構(gòu)的預(yù)制保溫管，這里結(jié)合工程實(shí)踐單就這一類型的直埋蒸汽管道的工程設(shè)計(jì)談一談 筆者的認(rèn)識(shí)、體會(huì)。
1、 直埋蒸汽管道設(shè)計(jì)的基本原則：
1.1、 直埋蒸汽管道與直埋熱水管道的設(shè)計(jì)方法有著根本的區(qū)別
1.1.1、 因管網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)不同而造成的區(qū)別：
直埋蒸汽管道所輸送的均為高溫蒸汽介質(zhì)，因其溫度高，所以設(shè)計(jì)方法不同于直埋熱水管道 。
首先，按照我國(guó)國(guó)家建設(shè)部頒布的《城市直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程》CJJ/T81-98的規(guī)定， 直埋熱力管道的直管段的當(dāng)量應(yīng)力變化范圍應(yīng)滿足下式：
σj＝(1－V)σt－aE(t2－t1) 3σ［σ］
式中：
σj - 內(nèi)壓、熱脹應(yīng)力的當(dāng)量應(yīng)力變化范圍(MPa);
v - 鋼材的泊松系數(shù);
a -鋼材的線膨脹系數(shù)(m/m.℃)；
E - 鋼材的彈性模量(MPa);
t1 - 管道工作循環(huán)最高溫度(℃);
t2 - 管道工作循環(huán)最低溫度(℃);
σt - 管道內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力(MPa)
［σ］ - 鋼材在計(jì)算溫度下的基本許用應(yīng)力(MPa)。
按照上式，若循環(huán)最低溫度按停運(yùn)時(shí)的10℃計(jì)算，則管道循環(huán)最高溫度t1允許達(dá)到150℃， 而按照我市第一熱電廠所供蒸汽溫度-296℃計(jì)算，顯然不能滿足上式。
因此，直埋蒸汽管道的設(shè)計(jì)不能象直埋熱水管道那樣允許有錨固段存在，直埋蒸汽管道的設(shè) 計(jì)必須使整個(gè)管系的熱應(yīng)力釋放掉，即管道必須能產(chǎn)生熱位移。
此外，由于高溫蒸汽管道的計(jì)算溫差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱水管道的計(jì)算溫差，并且鋼材的線膨脹系數(shù) 也隨 溫度升高而有所增大，因此相同長(zhǎng)度管道的熱伸長(zhǎng)量，296℃的蒸汽管道比150℃的熱水管道 大一倍多。由于受補(bǔ)償器補(bǔ)償能力的限制，直埋蒸汽管道固定墩的間距比直埋熱水管道要小 得多。
1.1.2 因管道保溫結(jié)構(gòu)不同而形成的區(qū)別：
眾所周知，直埋熱水管道使用的是“三位一體”的預(yù)制保溫管，即聚氨脂保溫層緊密地粘結(jié) 在工作鋼管的外表面。但由于聚氨脂的耐熱溫度最高為140℃，因此直埋蒸汽管道只能做成 包裹式的 復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)，即必須使用耐高溫的保溫材料，這種包裹式的結(jié)構(gòu)使得工作鋼管與保 溫層必然是脫開(kāi)的，僅此一點(diǎn)區(qū)別就決定了直埋蒸汽管道不能按照直埋熱水管道的設(shè)計(jì)方法 進(jìn)行設(shè)計(jì)。
1.2、 直埋蒸汽管道的設(shè)計(jì)思路：
綜上所述直埋蒸汽管道不能采用直埋熱水管道的設(shè)計(jì)方法，因此我們對(duì)直埋蒸汽管道設(shè)計(jì)的 基本 構(gòu)思借鑒了地溝與架空管道的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)又特別明確了它與地溝或架空管道的設(shè)計(jì)方法 也存在著區(qū)別。主要的區(qū)別是直埋蒸汽管道的保溫結(jié)構(gòu)對(duì)管道熱膨脹及管道補(bǔ)償方式的影 響及限制。此外，地溝及架空管道兩固定點(diǎn)之間的最大長(zhǎng)度是由管道失穩(wěn)條件決定的，它與 管徑的大小及補(bǔ)償器的補(bǔ)償能力有關(guān)，而直埋蒸汽管道兩固定點(diǎn)之間的最大長(zhǎng)度在受補(bǔ)償器 補(bǔ)償能 力的限制的同時(shí)也受管道保溫結(jié)構(gòu)的約束。例如，由于保溫結(jié)構(gòu)對(duì)直管段及彎頭的徑向位移 空間的限制，使得直埋蒸汽管道不能象地溝或架空管道那樣可以利用管網(wǎng)的實(shí)際路由走向選 擇 不同形式的補(bǔ)償器，直埋蒸汽管道的補(bǔ)償器只能采用軸向型的，自然補(bǔ)償管段也只能設(shè)計(jì)得 較短。而直埋蒸汽管道的強(qiáng)度驗(yàn)算和地溝或架空敷設(shè)的設(shè)計(jì)方法是一致的，即采用彈性分析 的方法，工程實(shí)踐證明這種設(shè)計(jì)方法是可靠的。
2、合理地選擇預(yù)制復(fù)合保溫管道是直埋蒸汽管道工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵：
當(dāng)我們做一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)時(shí)，首先要根據(jù)工程的實(shí)際情況合理選擇復(fù)合保溫管，確認(rèn)它的保溫 結(jié)構(gòu)、材料及其性能能滿足設(shè)計(jì)參數(shù)及工程特性的要求，并根據(jù)管網(wǎng)的布置狀況向生產(chǎn)廠 家明確提出管系及特殊管件的具體要求。
直埋蒸汽管道對(duì)管道的保溫材料及保溫結(jié)構(gòu)的基本要求是，保溫材料本身的性能優(yōu)良，具有 較強(qiáng)的憎水性，并且在特殊環(huán)境(如高溫)下其自身特性變化不大；保溫管道的整體結(jié)構(gòu)要具 有足夠的機(jī)械強(qiáng)度；外保護(hù)套要有可靠的防腐能力和承內(nèi)壓、外載能力。此外，直埋蒸汽管 道還應(yīng)滿足以下要求：
2.1、 管道在保溫層內(nèi)能夠充分地滑動(dòng) 管道在工作時(shí)因溫度的變化會(huì)出現(xiàn)熱脹冷縮，在直管段上產(chǎn)生軸向位移，在彎頭及其附近會(huì) 有軸向位移和徑向位稱同時(shí)產(chǎn)生。為了保證管系熱應(yīng)力的充分釋放同時(shí)減小管道對(duì)固定墩的 推 力，要求管道與保溫層之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)要低。現(xiàn)生產(chǎn)廠家多采用在管道與保溫層之間設(shè) 減阻層的方法，效果好的可將摩擦系數(shù)減小到0.3以下。當(dāng)彎頭處采取自然補(bǔ)償?shù)姆绞綍r(shí)， 要求彎頭及其兩側(cè)一定長(zhǎng)度的管道要有足夠的軸向位移及徑向位移的空間。
2.2、 要保證管道保溫結(jié)構(gòu)本身和周圍土壤的溫度場(chǎng)的要求
由于直埋蒸汽管道的介質(zhì)溫度高，如不有效地控制保溫結(jié)構(gòu)各環(huán)節(jié)的溫度，就會(huì)造成保溫管 道的保溫層、外防護(hù)層的破壞，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致管網(wǎng)全線破壞。例如復(fù)合預(yù)制保溫管的低溫保 溫層 一般都采用聚氨脂，其最高適用溫度是140℃，如果該界面溫度超過(guò)140℃并長(zhǎng)期運(yùn)行，就會(huì) 造成聚氨脂碳化、強(qiáng)度減弱、保溫失效。
此外，管道外表面溫度升高時(shí)，對(duì)其混凝土固定墩 、管道周圍的電纜、上、下水管等都會(huì)造成影響甚至破壞。
因此設(shè)計(jì)直埋蒸汽管道時(shí)，一定 要對(duì)管道的整體及局部的溫度控制(向保溫管生產(chǎn)廠)提出明確要求。
2.3、 要具有排潮裝置
保溫管在工廠生產(chǎn)、運(yùn)輸及安裝過(guò)程中不可避免地含有或吸收一些潮氣甚至少量水分，這些 潮氣或水分在管道運(yùn)行時(shí)經(jīng)管內(nèi)蒸汽加熱就會(huì)形成蒸汽，如不及時(shí)迅速地排除出去，就會(huì)使 保溫層間的溫度、壓力升高，甚至破壞保溫結(jié)構(gòu)。
2.4 要有可靠的外防護(hù)層
目前，國(guó)內(nèi)使用的復(fù)合預(yù)制保溫管的外保護(hù)套有三種材料，即聚乙烯、玻璃鋼、鋼。玻璃鋼 材料現(xiàn)在國(guó)家還沒(méi)有制定統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，質(zhì)量不易保證；采用聚乙烯外套則管件與管道的 (外套)接口不好處理，如固定節(jié)與管道、補(bǔ)償器與管道的接口處，這些接口如處理不好，運(yùn) 行過(guò) 程中地下水就會(huì)滲入管道保溫層并形成蒸汽，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致管網(wǎng)全線報(bào)廢；鋼外套雖然嚴(yán) 密但工程造價(jià)高，并且外防腐如果處理不好就不能保證管網(wǎng)的使用壽命，同時(shí)由于鋼外套 本身溫度應(yīng)力的作用，管道的固定墩比聚乙烯外套的預(yù)制保溫管大很多。
綜上所述，我們?cè)谶M(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)工程的具體情況進(jìn)行分析比較，確定使用哪種外防護(hù)套，并根據(jù)外防護(hù) 套的材料提出對(duì)管件結(jié)構(gòu)的要求。
3、 直埋蒸汽管道工程的設(shè)計(jì)：
在上述設(shè)計(jì)基本原則的構(gòu)思指導(dǎo)下，管系的整體設(shè)計(jì)過(guò)程是在管網(wǎng)水力計(jì)算、強(qiáng)度驗(yàn)算后， 根據(jù)管網(wǎng)的路由走向，結(jié)合工程的實(shí)際狀況和特定的外界條件，合理地設(shè)置管道的熱補(bǔ)償及 所有管件。
3.1、 將管網(wǎng)合理地劃分成若干個(gè)封閉的保溫管段
因?yàn)閺?fù)合預(yù)制保溫管道的結(jié)構(gòu)是管道與保溫層之間是有位移空隙的，管網(wǎng)在運(yùn)行時(shí)一但某一 點(diǎn)發(fā)生蒸汽管道泄漏或外防護(hù)層破損外漏，則熱媒蒸汽或地下水受熱汽化就會(huì)通過(guò)管道與 保溫層之間的這一“通道”遍布整個(gè)管網(wǎng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使整個(gè)管網(wǎng)遭受損失。將管網(wǎng)分成若干 個(gè)封閉的保溫管段，就能夠縮小事故的影響段，便于查找事故點(diǎn)。因此我們?cè)诠こ淘O(shè)計(jì)中， 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體條件，將每一對(duì)固定墩之間及主干線與支線之間都設(shè)計(jì)成封閉的保溫管段。
3.2、 管網(wǎng)熱補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)：
如前所述，由于受管道保溫結(jié)構(gòu)的限制，管網(wǎng)直管段的補(bǔ)償器只能采用直埋式軸向型的。按 照通常做法，軸向型波紋補(bǔ)償器都布置在固定支架旁以防止其軸向失穩(wěn)，但筆者認(rèn)為，這種 布置方法對(duì)波紋補(bǔ)償器的每個(gè)波節(jié)吸收位移的工作受力傳遞不均，發(fā)揮的補(bǔ)償能力不充分。 我們認(rèn)為解決補(bǔ)償器軸向失穩(wěn)問(wèn)題除與其布置位置有關(guān)外，更主要的是取決于補(bǔ)償器自身的 性能和質(zhì)量。因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)，一定要選擇自導(dǎo)向性能好、抗失穩(wěn)能力強(qiáng)的補(bǔ)償器；而 對(duì)于補(bǔ)償器的布置則要根據(jù)工程的實(shí)際情況靈活運(yùn)用，根據(jù)管系的分段長(zhǎng)度及具體條件可布 置在兩固定墩中央或之間的任意位置，這樣既能躲避復(fù)雜的地下障礙的影響，又能滿足管段 的補(bǔ)償要求。但要注意，補(bǔ)償器不要布置在彎頭或折點(diǎn)旁。實(shí)踐證明這種設(shè)計(jì)方法是可靠的 。
補(bǔ)償器的保溫結(jié)構(gòu)一定要滿足強(qiáng)度及溫度控制要求，同時(shí)，補(bǔ)償器的保溫結(jié)構(gòu)應(yīng)不影響補(bǔ)償 器的自身性能及正常工作。
3.3、 合理布置管網(wǎng)的疏水點(diǎn)
由于蒸汽管網(wǎng)運(yùn)行負(fù)荷不穩(wěn)定，甚至經(jīng)常會(huì)有零負(fù)荷狀態(tài)，在這一時(shí)間段內(nèi)管網(wǎng)的凝結(jié)水很 多，如不及時(shí)排出就會(huì)發(fā)生水擊，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)管網(wǎng)造成破壞。因此，合理設(shè)置疏水點(diǎn)是管網(wǎng) 安全運(yùn)行的保證。我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)對(duì)疏水點(diǎn)的布置考慮了以下幾點(diǎn)：(a)沿管網(wǎng)汽源方向并根 據(jù)管網(wǎng)的路由高程將管網(wǎng)做成有坡度設(shè)計(jì)，順流疏水。(b)在地下障礙多，管道敷設(shè)呈縱 向 起伏的管段，采用多低點(diǎn)疏水；當(dāng)逆流疏水時(shí)，盡量加大管道坡度。(c)我們目前使用的疏 水節(jié) 的結(jié)構(gòu)是在管道底部設(shè)集水罐，由集水罐引出疏水管。由于管道運(yùn)行時(shí)存在反復(fù)熱位移，會(huì) 對(duì)疏水管根部的焊口產(chǎn)生剪切力造成破壞，為了避免這種情況發(fā)生， 我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)將疏水節(jié)設(shè)在固定節(jié)旁，或要求保溫管生產(chǎn)廠家將疏水節(jié)和固定節(jié)做為一體。
為了管網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)安全，操作方便，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中，完全采用了背壓疏水的方式，不管管道 埋深多少，疏水井均設(shè)在地下0.5至0.8米深的位置，每個(gè)疏水點(diǎn)均設(shè)自動(dòng)疏水器和啟動(dòng)疏放 水旁路閥，并在設(shè)計(jì)說(shuō)明中對(duì)啟動(dòng)運(yùn)行的疏放水操作提出明確要求。實(shí)際運(yùn)行證明這種疏水 方式是安全可靠的。
3.4 合理地設(shè)計(jì)管道的埋深
直埋蒸汽管道的埋深是決定管道外表面溫度的條件之一，因?yàn)橥寥赖膶?dǎo)熱系數(shù)不僅與土壤的 種類、化學(xué)成分、含水量有關(guān)，還與土壤的埋設(shè)深度有關(guān)，實(shí)驗(yàn)證明，隨著埋深的增加，土 壤 的導(dǎo)熱系數(shù)降低，因此，管道埋得過(guò)深會(huì)使管道的外表面溫度升高。我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)，在保證 管道不被地上荷載破壞，即滿足強(qiáng)度要求的前提下，應(yīng)盡量淺埋，筆者認(rèn)為，在地下條件允 許的地方，管道的埋深以0.8～1.0米為宜。
3.5、 固定墩的設(shè)計(jì)及鋼外套管的應(yīng)力計(jì)算：
直埋蒸汽管道與直埋熱水管道的固定節(jié)的受力結(jié)構(gòu)基本相同，即在管道上焊接固定環(huán)板。但 直埋蒸汽管道的固定節(jié)存在的問(wèn)題是環(huán)板溫度很高，并且由于熱橋的作用，環(huán)板兩側(cè)管道的 外表面溫度也很高，因此，即使是聚乙烯外套的預(yù)制復(fù)合保溫管，其固定節(jié)處的外保護(hù)套也 不能直接使用聚乙烯，國(guó)內(nèi)目前多采用的做法是在固定節(jié)處采用鋼外套 ，并增加固定節(jié)的長(zhǎng)度以保證管道和固定節(jié)的接口部分的外表面溫度不超過(guò)設(shè)計(jì)要求，這就 使管網(wǎng)出現(xiàn)了鋼塑接口問(wèn)題，這一問(wèn)題目前仍沒(méi)有令人十分滿意的處理方法。對(duì)于鋼外套的 預(yù)制復(fù)合保溫管，固定節(jié)處的鋼外套的防腐應(yīng)考慮到耐高溫問(wèn)題。直埋蒸汽管道固定墩的土 建設(shè)計(jì)要采用耐熱混凝土。
對(duì)于鋼外套的預(yù)制復(fù)合保溫管，設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮鋼外套管的應(yīng)力分布。直埋蒸汽管道的外表 面設(shè)計(jì)溫度一般是50℃，按照直埋熱水管道的設(shè)計(jì)原理，這一溫度對(duì)直管段產(chǎn)生的熱應(yīng)力完 全不必進(jìn)行驗(yàn)算，但對(duì)于彎頭、折點(diǎn)、三通等應(yīng)力集中點(diǎn)就需要進(jìn)行安定性分析及驗(yàn)算。筆 者在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)鋼外套管系是按照直埋熱水管道的設(shè)計(jì)方法來(lái)處理的。
對(duì)固定墩的推力計(jì)算，除應(yīng)考慮固定墩兩側(cè)管道補(bǔ)償器的彈性反力、不平衡內(nèi)壓力及管道的 摩 擦力外，對(duì)鋼外套的預(yù)制復(fù)合保溫管還應(yīng)考慮鋼外套管對(duì)固定墩的推力。例如，按照外表面 溫度最高50℃計(jì)算，當(dāng)工作鋼管直徑為DN350、外保護(hù)套管直徑力DN700時(shí)，采用鋼外套管的 固定墩的推力比塑套管的固定墩推力最大可提高10倍。雖然采用在鋼外套管上設(shè)補(bǔ)償器的方 法可以減小固定墩的推力，但由于外補(bǔ)償器的防腐問(wèn)題目前還沒(méi)有十分可靠的方法，從而不 能 保證管網(wǎng)的使用壽命。為了解決上述問(wèn)題，對(duì)固定墩的設(shè)計(jì)我們利用相對(duì)固定的概念，采用 內(nèi)固定的方法，即將固定環(huán)板焊接在工作鋼管與鋼外套管之間的方式。鋼外套管對(duì)于工作鋼 管視為 固定參照物，其內(nèi)固定節(jié)強(qiáng)度結(jié)構(gòu)只考慮工作鋼管的推力Fj即可。對(duì)鋼外套管來(lái)說(shuō)，F(xiàn)j僅為 它的內(nèi)平衡力，復(fù)合保溫管的整體的穩(wěn)定由土壤作用在鋼外套管上的被動(dòng)土壓力來(lái)滿足平衡 。在小白樓蒸汽管道改造工程中，我們采用了全部?jī)?nèi)固定的方式，解決了因地下條件惡劣而 無(wú)法做固定墩的難題，既縮短了施工周期，又降低了工程造價(jià)。
3.6、 管件的設(shè)置：
3.6.1、 彎頭
起自然補(bǔ)償作用的彎頭將產(chǎn)生軸向及徑向位移，為了保證管道在彎頭處的熱位移不受約束， 并使預(yù)制復(fù)合保溫彎頭的保溫結(jié)構(gòu)不被擠壞，必須在工作彎頭與保溫層間留有位移空間。德 國(guó)布魯格公司將保溫彎頭做成轉(zhuǎn)角處凸出的“大肚”型結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)彎頭變形位移量的要求 。目前國(guó)內(nèi)的普遍做法是彎頭處填充松軟的保溫材料。我們?cè)诠こ淘O(shè)計(jì)中，應(yīng)就自然補(bǔ)償管 段的熱補(bǔ)償量問(wèn)題同保溫管生產(chǎn)廠家交換意見(jiàn)并達(dá)成一致，以使彎頭處的保溫結(jié)構(gòu)既能夠最 大限度地吸收管道的熱位移，又能保證其結(jié)構(gòu)不被破壞。
3.6.2、合理設(shè)置排潮管：
我們?cè)诠こ淘O(shè)計(jì)中，每段封閉的保溫管段之間均設(shè)一至二個(gè)排潮管，排潮管應(yīng)引到地面以上 ，行人、車輛無(wú)障礙的安全地方，排潮管口要向下彎，以避免雨雪由排潮口進(jìn)入管道的保溫 層。
3.6.3、三通、大小頭、閥門等的設(shè)置：
對(duì)于容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的管件，我們?cè)诠こ淘O(shè)計(jì)中遵循的原則是通過(guò)分析管系的應(yīng)力分布狀 況，盡量布置在軸向、徑向位移量小的地方，右靠近固定墩布置。必要時(shí)向廠家提出加強(qiáng)管 件強(qiáng)度措施的要求。在選擇閥門時(shí)，注意考慮閥門承受內(nèi)壓及軸向力的能力。此外，管件與 管 道、管道與管道的連接處的保溫及密封處理要做到連續(xù)、嚴(yán)密。直埋蒸汽管道工程是一項(xiàng)系 統(tǒng)工程，這一點(diǎn)已為業(yè)內(nèi)人士所共識(shí)。
從管網(wǎng)的設(shè)計(jì)到管道的制造、安裝及管網(wǎng)的啟動(dòng)運(yùn)行，每個(gè)環(huán)節(jié)都直接影響著工程的成敗。而一項(xiàng)好的設(shè)計(jì)可以使產(chǎn)品的性能得以充分發(fā)揮，可以最大限度地減少施工中的困難，可以降低工程造價(jià)。因此， 我們的設(shè)計(jì)一定要做到嚴(yán)謹(jǐn)合理，為工程的成功提供可靠的前提保證。
